Progreso de la investigación de materiales conductores térmicos de grafeno
1. Estado de investigación de la película térmica de grafeno
El grafeno es una estructura de anillo de seis miembros que contiene carbono con estructura híbrida sp2, y varias propiedades físicas y químicas son muy estables. En comparación con los materiales metálicos tradicionales como el cobre y el aluminio, el grafeno tiene una mayor conductividad térmica en el plano. Debido a su estructura especial, el grafeno tiene menor densidad, buena estabilidad térmica, conductividad eléctrica ultra alta, excelente transmitancia de luz y mejores propiedades mecánicas. El grafeno es una opción ideal como componente aditivo de materiales térmicamente conductores. Al mismo tiempo, la película de grafeno se puede utilizar como disipador de calor en componentes electrónicos, unido a la superficie de componentes electrónicos que son fáciles de generar calor y dispersa uniformemente el calor generado por la fuente de calor. Entre ellos, la mayor conductividad térmica y el mejor efecto de disipación de calor es la película conductora térmica de grafito artificial obtenida de la película de poliimida a través del proceso de grafitización. La conductividad térmica en la dirección del plano puede alcanzar 700 ~ 1950W∙m-1∙K-1, y el grosor es de 10 ~ 100 μm, con buena conductividad térmica.
Wang Wen et al. agregaron nanoláminas de grafeno al polipropileno, lo que puede aumentar su conductividad térmica hasta 14 veces. Chen et al. compuestos de grafeno y nanocelulosa a través de filtración al vacío, lo que mejoró en gran medida la conductividad térmica y las propiedades mecánicas de la película compuesta de nanofibra de grafeno / celulosa. Song et al. combinaron grafeno y nanocelulosa en una película híbrida de celulosa / óxido de grafeno reducido a través del autoensamblaje capa por capa, mostrando una estructura en capas altamente ordenada. Sin embargo, la combinación de la matriz y el grafeno consume mucha energía y no puede lograr una producción a gran escala.
En este contexto, el estudio de películas de grafeno de alta conductividad térmica tiene dos significados importantes. Una es que debido al alto costo de las películas artificiales de grafito y la dificultad de preparar películas de poliimida de alta calidad, la industria espera que las películas de grafeno de alta conductividad térmica se puedan utilizar como plan alternativo. En segundo lugar, debido a la creciente demanda de disipación de calor en productos electrónicos, las nuevas soluciones de disipación de calor requieren no solo una alta conductividad térmica de la película térmicamente conductora, sino también un cierto grosor de la película térmicamente conductora para aumentar el flujo de conducción de calor en la dirección del plano. En la película artificial de grafito, debido al grado de orientación molecular de poliimida, la película conductora térmica de poliimida grafitida tiene una conductividad térmica más alta solo cuando el espesor es pequeño. La película térmica de grafeno es fácil de convertir en una película térmica gruesa (~ 100 μm), que tiene buenas perspectivas de aplicación en el sistema de gestión térmica de nuevos dispositivos electrónicos.
2.Investigación técnica sobre el espesor de la película de grafeno
La preparación de una película conductora térmica de grafeno más gruesa es actualmente un tema de investigación candente. Teóricamente hablando, para aumentar el grosor de la película de grafeno, solo se puede aplicar una película de óxido de grafeno más gruesa. Sin embargo, existen los siguientes problemas en la operación real: (1) La calidad de la película gruesa formada por el recubrimiento de cuchillo no es alta. Debido a la baja concentración de la dispersión del óxido de grafeno (menos del 10%), el resto del óxido de grafeno es agua, que requiere mucho tiempo para evaporarse. Las escamas de óxido de grafeno interactúan con las moléculas de agua a través de enlaces de hidrógeno, y las moléculas de agua escapan cuando se evaporan, de modo que las escamas de óxido de grafeno forman enlaces cruzados a través de enlaces de hidrógeno, formando una película similar a la "piel de leche" en la superficie. Esta película delgada ralentiza la evaporación del agua dentro de la dispersión del óxido de grafeno y hace que la lámina de óxido de grafeno tenga una orientación inconsistente, lo que reduce la calidad de la película.
(2) Es difícil obtener una película gruesa a través de un método de un solo paso. Debido a la baja concentración de la dispersión del óxido de grafeno, es imposible preparar una película de óxido de grafeno con un espesor de ~ 100 μm a la vez, independientemente de los métodos como el recubrimiento con cuchillo, el recubrimiento por centrifugado o la pulverización. Luo et al. encontraron que la película de óxido de grafeno todavía puede unirse entre sí bajo la condición de infiltración de agua desionizada después de evaporarse a sequedad. Este fenómeno ocurre porque las capas de óxido de grafeno están conectadas entre sí a través de enlaces de hidrógeno bajo la acción del agua. Para que la película de óxido de grafeno se pueda pegar como papel. Zhang et al. utilizaron un método similar para hinchar la película de óxido de grafeno preparada en agua y pegarla capa por capa. Después del secado, prensado en caliente, grafitización y prensado en frío, se obtuvo una película de grafeno ultragrueso con un espesor de 200 μm. Es 1224 W∙m-1∙K-1, y el efecto de disipación de calor medido por la cámara infrarroja es mejor que el de la película térmica de cobre, aluminio y grafeno de capa delgada. En la actualidad, hay relativamente pocos estudios sobre la preparación de películas de grafeno de alta conductividad térmica de 100 micras de espesor. Además de la hinchazón y la unión, la superposición de las películas de óxido de grafeno también se puede lograr mediante métodos como el calentamiento eléctrico y la unión de iones metálicos. La película de grafeno con espesor de micras y alta conductividad térmica proporciona nuevas ideas.
3. Perspectivas
Con el desarrollo de la tecnología de preparación de grafeno a gran escala, la conductividad térmica de la película de grafeno altamente conductora térmicamente preparada basada en el método de óxido de grafeno puede alcanzar 2000W∙m-1∙K-1. La conductividad térmica de la película de grafeno de alta conductividad térmica es equivalente a la de la película de poliimida grafitizada de alta calidad para aplicaciones industriales, y tiene un menor costo y una mejor capacidad de control del espesor. Al mismo tiempo, el grafeno, como relleno térmicamente conductor bidimensional, es fácil de construir una red térmicamente conductora tridimensional en una matriz polimérica, y tiene buenas perspectivas de aplicación en materiales de interfaz térmica. Al mejorar la dispersión del grafeno en la matriz polimérica y construir una red de conductividad térmica de grafeno tridimensional, la conductividad térmica de los compuestos de interfaz térmica llenos de grafeno es varias veces mayor que la de los polímeros, y la relación de relleno es menor que la de los rellenos conductores térmicos tradicionales. El grafeno, ya sea que se use como una película térmicamente conductora autoportante o como un relleno térmicamente conductor para materiales de interfaz térmica, desempeñará un papel importante en la próxima generación de aplicaciones de disipación de calor de componentes electrónicos.
